少年科学粉 | 日面上经常出现一些黑点，这些黑点有哪些秘密？

　　文图/宋乔（国家空间天气监测预警中心）

　　本文节选自《知识就是力量》杂志

　　北宋文学家苏轼

　　曾用“阴晴圆缺”来描写月亮，

　　其实太阳也有阴晴圆缺。

　　比如，日食的时候，

　　明亮刺眼的太阳圆盘被月球遮住一块，

　　这时如果戴上专用的日食眼镜去看，

　　我们就会发现此时的太阳缺了一块，

　　甚至变成了弯弯的月牙形。

　　2019年1月6日早晨，山东石岛的太阳Hα望远镜拍摄的日食图像——图中左上角太阳因为月球的遮挡而缺了一小块

　　当然，在没有日食的时候，

　　太阳也不是完美无瑕的，

　　日面上经常会出现一些黑点，

　　这就是“太阳黑子”。

　　月亮的圆缺变化周而复始，

　　太阳上黑子的数目也有时多有时少。

　　人类花了几千年的时间，

　　才逐渐揭开太阳黑子数的秘密。

　　太阳黑子的发现史

　　早在2000多年前，中国古人就有明确的太阳黑子记录。《汉书·五行志》中记载“成帝河平元年（公元前28年）……三月乙未，日出黄，有黑气大如钱，居日中央”。古代欧洲因为观念等原因，缺乏早期的太阳黑子记录。直到公元17世纪，随着望远镜的发明，欧洲人才开始对太阳黑子的数量、位置等进行系统地观测和记录。

　　意大利天文学家伽利略日复一日地观测太阳，手绘了太阳圆面上黑子的图像，通过比较不同日期的图像，伽利略发现黑子们在太阳上的位置有规律地变化着，从而正确推断出黑子不是太阳和地球之间或者地球大气中的某种云朵，而是太阳表面的真实特征。到了19世纪，德国天文学家海因里希·施瓦贝对太阳黑子进行了长达几十年的观测和记录，发现日面上黑子的数目会周期性的增加和减少。

　　20世纪初，随着电磁学、原子物理等学科的发展，太阳黑子的物理本质逐渐显露出来。美国天文学家乔治·海尔发明了一种新仪器，可以测量太阳上的磁场，他发现太阳黑子的磁场非常强，比地球磁场要强几千倍。现在我们知道，正是黑子的强磁场抑制了热对流，使得黑子的温度低于周边，于是就显得比较黑。黑子数的周期性变化反映了太阳磁场的变化，导致了太阳表面活动的强弱变化，所以这种周期性变化被称为“太阳活动周”。

　　第24太阳活动周

　　通过400余年的太阳黑子观测记录，我们得知太阳活动周的长度大致为11年（较短的活动周只有约9年，较长的活动周可以持续近14年）。在一个太阳活动周中，黑子数最多的年份被称为“太阳活动极大年”（或者“峰年”），黑子数最少的年份被称为“太阳活动极小年”（或者“谷年”）。

　　在太阳活动极大时，日面上有很多黑子，此时的黑子数常常用来代表太阳活动周的强弱，强活动周的黑子数可以接近300，弱的活动周则只有不到100。当太阳活动进入极小期，日面上常常一个黑子也没有。从极小到极大，黑子数逐渐增加，被称为“活动周上升相”；从极大到极小，黑子数逐渐减少，被称为“活动周下降相”。

　　现在我们正处于第24太阳活动周的尾巴上（第一个太阳活动周从1755年初开始），而它明显比它的几个前辈要偏弱一些，最大黑子数只有第21周的一半左右。尽管第24活动周整体偏弱，但也有很大、很活跃的黑子群存在。

　　2014年10月下旬，正值太阳活动极大期，日面上出现了一个巨大的黑子群（如下图所示）。这个黑子群实际尺寸比地球还要大，只有太阳系最大的行星——木星——才能和它相比较。图上黑色的带状结构是太阳暗条，其长度可以比黑子群还大，往往有几十个地球直径那么长。暗条爆发可能会导致日冕物质抛射等，也可能会对地球磁场和电离层等造成影响。

　　2014年10月23日，石岛Hα望远镜拍摄的太阳图像。中间偏下位置的黑色斑点是一个巨大的黑子群（AR 12192）

　　2017年9月初，太阳处于第24活动周下降相阶段，在短短的一天里，一个活跃的黑子群（AR 12673）在日面上迅速成长起来。它的面积虽然不是很大，但结构相当复杂，产生了大量的爆发活动，其中包括第24活动周最强耀斑和速度高达上千千米每秒的日冕物质抛射，这些爆发活动对地球造成了一系列的影响，导致了地磁暴、太阳质子事件等空间天气事件。

　　2017年9月4日~13日，风云4A卫星监测的地球同步轨道高能质子通量。由于耀斑、日冕物质抛射等太阳爆发活动造成高能质子通量显著升高，产生了太阳质子事件。

　　如何预测太阳活动周？

　　站在第24太阳活动周的尾巴上，不少人开始预测下一个活动周—第25活动周的情况。活动周预测的方法比较多，比如有人用数学方法分析近几十、几百年的黑子数变化，想要从数字当中找到太阳活动周演化的规律；也有人对太阳活动的物理本质进行研究，通过对太阳极区磁场、子午流等的观测和计算来确定下一个活动周的强弱。

　　但是，不同方法预测的结果常常是不同的，与最终的实测结果往往也有差别，因此要想更加精确、可靠地预测太阳活动周，还需要更好的观测数据和更深入的科学研究。